1、煤矿特殊开采方法 特殊开采的内容主要包括特殊开采的内容主要包括建筑物下采煤铁路下采煤水体下采煤承压水体上采煤l三下l一上 工业与民用建筑（村庄）地面设施 工业构筑物l 弯曲带 （高压线塔、烟囱、索道）l 铁路及其附属设施 铁路下采煤 l 井工巷道上覆岩层l 裂缝带 导水裂缝带高度l 水体下采煤 l 垮落带 矿压控制（采场、巷道）l l 底板破坏带下伏岩层 下三带 完整岩层带 承压水上采煤（华北型煤田）l 底板水导升带 奥灰、山东徐灰）本课程的主要内容本课程的主要内容l岩层与地表移动理论岩层与地表移动理论l建筑物下采煤建筑物下采煤l铁路下采煤铁路下采煤l水体下采煤水体下采煤l承压水上采煤承压水上
2、采煤l上行开采技术上行开采技术l深井开采技术巷道支护技术第三章 铁路下采煤 山东科技大学山东科技大学 教授教授 连传杰连传杰 博士博士 第一节第一节 铁路下采煤概述铁路下采煤概述l铁路下采煤包括：线路下 车站下（建下）桥梁下 后两者难度大l 重点是地表移动变形预计，计算出总回填量，用于经济评价或概算。铁路下采煤的意义铁路下采煤的意义l压覆大量的煤炭资源：如京沪铁路（还有其他）目前按38度左右的角度留设铁路保护煤柱，其压覆大量的煤炭资源（国务院令）l有着很多铁路下采煤的经验，尤其是现线路下采煤（兖矿铁路专用线下放顶煤开采、很多铁路支线下采煤获得成功）铁路分级铁路分级 保护等级 铁路等级 围护带宽
3、度/ml 国家一级 20l 国家二级 15l 国家三级 10l 工矿企业专用（一、二、三级）5 高铁 技术水平技术水平l线路下采煤取得进展l车站下采煤存在技术难度l桥梁下、隧道下采煤存在困难下面介绍的仅仅是线路下采煤第二节第二节 地表移动和变形地表移动和变形对线路的影响对线路的影响l铁路线路组成 钢轨、轨枕、路基、联结件及道岔等组成，钢轨是线路最重要的组成部分，它直接承受列车的载荷，并通过轨枕和道床将载荷传至路基。一、移动变形对路基的影响一、移动变形对路基的影响l1 1、下沉和水平移动（位移）、下沉和水平移动（位移）l下沉和水平移动对路基的承载能力没有影响l下沉改变了路基标高需要恢复高程l横向
4、水平移动将改变路基的原有方向l2 2、倾斜、倾斜l对路基的稳定性产生较大影响l3 3、水平变形、水平变形l路基产生附加拉伸或压缩变形（运行的列车将路基压实）二、地表移动和变形对线路的影响二、地表移动和变形对线路的影响l路基的移动和变形使得上部的道床、轨枕和钢轨的标高和平面位置发生变化，表现为竖直方向的下沉、水平方向的横向移动和纵向移动，使线路坡度、竖曲线形状、两条钢轨高差、线路方向、轨距、轨缝发生变化。l1 1、倾斜、倾斜l倾斜将使线路坡度发生变化。l沿线路方向的倾斜 国家一级铁路6，困难地段12 国家二级铁路12 国家三级铁路15 坡度改变引起列车运行阻力的变化。l垂直线路方向的横向倾斜 两
5、股钢轨下沉不等，直线段使列车重心偏移，曲线段将改变外轨抬高高度。l2 2、曲率、曲率l线路相邻段不均匀倾斜将导致竖直方向上原线路相邻段不均匀倾斜将导致竖直方向上原有竖曲线的曲率半径变化，地表下沉曲线的有竖曲线的曲率半径变化，地表下沉曲线的正负曲率可使原有线路的曲率半径增大或减正负曲率可使原有线路的曲率半径增大或减小。小。l3 3、横向水平移动、横向水平移动4 4、纵向水平移动、纵向水平移动第三节第三节 铁路下采煤的技术措施铁路下采煤的技术措施l一、铁路下开采的技术措施l1、满足一定的深厚比l2、防止地表突然下沉3、减少地表下沉、减少地表下沉二、留设好铁路煤柱二、留设好铁路煤柱三、铁路下开采的地
6、面维修技术三、铁路下开采的地面维修技术措施措施第三章第三章 复习思考题复习思考题第一节 1、了解铁路的分级和铁路下采煤概况。第二节 1、掌握地表移动变形对路基的影响。2、掌握地表移动变形对线路的影响。第三节 1、深厚比 2、掌握铁路下开采的地面维修措施。l2、线路（移动监测与维修）l（1）下沉：顺坡l 起道（垫高）l（2）水平移动：l 横向：拨道拨回原来的位置l 改道调整轨距l 纵向：调整轨道第四章 水体下采煤山东科技大学山东科技大学 教授教授 连传杰连传杰 博士博士 第一节第一节 影响水体下安全开采的因素影响水体下安全开采的因素l在开采煤层上方的地表水体下或地下水体下采煤称为水体下采煤。一、
7、水体的类型一、水体的类型l （1）地表水（江河湖海）l （2）松散层水（第四系、第三系砂砾层）l （3）(顶板、底板)基岩水(砂岩、石灰岩)l （4）地表水松散层水l （5）松散层水基岩水l （6）地表水基岩水l （7）地表水松散层水基岩水l （8）特殊水体：特殊水体：老空水（木石煤矿、淄博）l 断层水（很多矿井出现）l 岩溶陷落柱（开滦范家庄）二、煤岩的隔水和导水性能二、煤岩的隔水和导水性能l隔水层导水性能很弱的岩层l 泥岩、页岩、粉砂岩、粘土岩l含水层富水性分为4级l 弱富水性 q0.1L/s.ml 中等富水性 0.1q1.0L/s.ml 强富水性 1.0q5.0L/s.ml 极强富水性
8、q5.0L/s.ml断裂带导水l垮落带导水、导砂三、地表水、地下水涌入开采空间的机理三、地表水、地下水涌入开采空间的机理l开采对上覆水体影响有两个方面：l （1）上覆岩层的移动和破坏形成了充水通道，使水体中的水渗透或溃入井下。l （2）地表的移动、变形和破坏，使地表水体附属构筑物受到影响，导致灾害（如堤坝下沉量很大甚至断裂时，河流、湖泊和水库中的水就要流出）四、水体下采煤的理论依据四、水体下采煤的理论依据l1、三带理论l 对于地面水体、松散层底部和基岩中的强、中含水层水体、要求保护的水源等水体，不允许导水断裂带波及；l 对于松散层底部的弱含水层水体，允许导水断裂带波及；l 对于厚松散层底部为弱
9、含水层或可以疏干的含水层，允许导水断裂带进入，同时允许垮落带波及。l2 2、隔水层理论、隔水层理论l 水体底面与煤层之间有相应厚度的隔水层，才能实现水体下采煤。l 一定厚度的泥岩和粘土岩是水体下安全采煤的良好隔水层。五、水体下的采煤方式五、水体下的采煤方式l1、顶水采煤l 适应于水量大、补给充足、水体距开采煤层较远的条件。l2、疏水采煤 l （1）先疏水后采煤l 煤层直接顶为砂岩、石灰岩，且能实现预先疏干l 松散含水砂层为弱含水层，水源补给有限，可通过钻孔、巷道、采煤预先疏干l （2）边疏边采l 水量不大但范围大l3、顶疏结合采煤l 大水、远离煤层顶；近煤层（不强含水层）疏l4、截堵水源与疏水
10、结合采煤l 帷幕注浆新汶矿区灰岩l 部分水体疏降六、水体下采煤的特点六、水体下采煤的特点l 1、水体下采煤主要考虑煤层与水体之间有无隔水层，开采后隔水层能否破坏，开采引起的上覆岩层裂隙是否波及水体。l 2、水体下采煤的主要对象是矿井本身，为保护矿井本身必须保护水体下方的岩层。l 3、水体下采煤的主要对策是隔离和疏降，要从安全、经济和采出率等方面进行综合比较，确定合理的开采方案。第二节第二节 水体下采煤的安全煤岩柱留设水体下采煤的安全煤岩柱留设一、水体的采动等级及允许采动程度一、水体的采动等级及允许采动程度二、安全煤岩柱的留设方法二、安全煤岩柱的留设方法l安全煤岩柱从开采上限到上覆水体底界面之间
11、的煤层、岩层和松散层的总称。l开采上限煤层开采的最高标高（核心问题）。l原则：（1）安全性（第一）l （2）经济性（开采煤量）l 开采上限与 涌水量增大的问题安全煤岩柱的类型安全煤岩柱的类型l（1）防水安全煤岩柱（水量大）l（2）防砂安全煤岩柱（补给小）l（3）防塌安全煤岩柱（隔水层好）l（4）各类隔离（保护）煤柱l 矿界隔离煤柱l 断层保护煤柱l 各类防水隔离煤柱1、防水安全煤岩柱、防水安全煤岩柱l 防水安全煤岩柱属于隔离煤柱，留设的目的是不允许导水断裂带波及到水体，避免上覆水体涌入井下，并要使矿井涌水量不明显增加。l 根据水体类型及地层结构，防水安全煤岩柱高度分为三种类型：（1）地表有松散
12、层覆盖时）地表有松散层覆盖时（2）当煤系地层上部无松散层覆盖，且采深小）当煤系地层上部无松散层覆盖，且采深小时，应计入地表裂缝深度时，应计入地表裂缝深度（3）若基岩风化带也含水时，则应考虑基岩风化带深度）若基岩风化带也含水时，则应考虑基岩风化带深度防水安全煤岩柱的适用条件防水安全煤岩柱的适用条件2、防砂安全煤岩柱、防砂安全煤岩柱3、防塌安全煤岩柱、防塌安全煤岩柱4、安全煤岩柱保护层厚度的确定、安全煤岩柱保护层厚度的确定第三章第三章 水体下采煤的安全技术措施水体下采煤的安全技术措施l一、水体下采煤的井下安全技术措施l安全措施及设施安全措施及设施l 留设安全防水煤柱（断层、水体）留设安全防水煤柱（
13、断层、水体）l 建立安全隔离设施与管理（受水威胁建立安全隔离设施与管理（受水威胁的建立水闸门、水闸墙）的建立水闸门、水闸墙）l 水闸墙为什么出现事故？水闸墙为什么出现事故？l 分区开采（四川达竹局工程实例）分区开采（四川达竹局工程实例）l 分层开采（减小破坏高度）分层开采（减小破坏高度）l 充填（水砂）开采（新汶、临沂）充填（水砂）开采（新汶、临沂）l 条带开采（淄博）条带开采（淄博）二、水体下采煤的地面措施二、水体下采煤的地面措施l地面采用河流改道、河流铺底、建立上游水库、筑拦洪坝、填渗水裂缝、架渡槽、设围沟以及排除内涝等措施，切断和改变地面补给水源。l改变补给条件（安全与经济）：l 河流改
14、道（章丘玉山煤矿）l 夯填地表补给来源（朝阳煤矿）三、我国水体下采煤实例三、我国水体下采煤实例四、国外水体下采煤实例四、国外水体下采煤实例开采上限确定的主要技术问题与探测技术开采上限确定的主要技术问题与探测技术l1、开采上限的确定方法l（1）建筑物、铁路、水体及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程l 坚硬顶板裂缝带高度：l （中误差较大）l（2）实测方法（准确度高）l 传统方法（地面钻探）费用高；l 井下仰孔探测准确、费用低l（3）类比方法（可靠性差）l（4）力学计算l 9.80.22.1100MMHli提高开采上限确定的意义提高开采上限确定的意义l倾角越小，煤量越大，科学确定（提高开采上限）的意义
15、越大（安全、多采煤）采动覆岩破坏的探测方法采动覆岩破坏的探测方法l（1）地面或井下巷道向下打钻观测l 水文观测为主（冲洗液消耗量、钻孔水位观测）l 物探观测为辅（测井方法很多）l位置：依据煤层倾角定l 倾向：一般在倾斜边界上方附近l 走向：开切眼或停采线附近l个数：35个l钻孔直径：一般直径89127mm，开孔或表土层钻孔直径较大，并下套管保护。l观测内容l 1）钻孔冲洗液消耗量l 1L/min或0.1 l/s.m时，则进入了导水裂缝带l 2）钻孔水位观测l 在钻孔冲洗液正常循环过程中以及冲洗液完全漏失前，应对水位进行测定，以确定裂缝带顶点（水位显著降低，水位下降快，甚至干孔进入裂缝带顶点）l
16、 3）岩芯鉴定，记录钻进过程中的异常现象（如掉钻、卡钻吸风现象等）。l 轻微吸风：裂缝带l 掉钻、漏风：冒落带（孔内无水）l 掉钻、漏水（也可能为离层）l主要缺点：l 1）工程量大，费用高（钻孔深度、征地费、青苗补偿费、输电）l 2）观测精度相对较低l 3）有时条件不适宜观测：l 地面条件：海下、湖下（枣庄高庄、殷庄矿）、河下、老空区积水区下l 岩性条件：龙口局(孔变形大,不能保留)（2）井下仰孔分段注水观测新技术）井下仰孔分段注水观测新技术l钻孔直径：最好是89mm（80mm左右）l位置：l 走向：开切眼或停采线附近巷道l 倾向：上顺槽外侧巷道或硐室l推广应用方向：l（1）高位瓦斯抽放中确定
17、抽放层位l（2）承压水上开采底板破坏深度（充气）l（3）巷道松动圈观测（小型化）水体下采煤实例水体下采煤实例l四川省达竹矿务局铁山南煤矿l1、概况：两层煤（1m左右），总厚2ml2、由来及现状l3、工作思路l （1）实现分区开采（区间隔离煤柱）l （2）上限防水煤柱留设l （3）防水工程（防水闸墙、防水闸门）l （4）安全系统建立（预警系统、避灾路线、设施管l 理）l第四章 水体下采煤l第一节影响水体下安全开采的因素l1、了解水体的类型。l2、水体下的采煤方式有哪几种？l第二节 水体下采煤的安全煤岩柱留设l1、掌握水体的采动等级及允许采动程度；l2、重点掌握防水安全煤岩柱、防砂安全煤岩柱、防塌
18、安全煤岩柱的主要作用、计算公式及适用条件，会画出相应的煤岩柱留设示意图。l3、在给出断裂带（或垮落带）高度及保护层厚度计算公式条件下，会设计相应的安全煤岩柱。l第三节 水体下采煤的安全技术措施l1、水体下采煤为什么要“分区隔离开采”？常用的工程措施有哪些？第六章 上行式开采顺序采煤山东科技大学山东科技大学 教授教授 连传杰连传杰 博士博士 上行式开采顺序上行式开采顺序l 煤层间、厚煤层分层间及煤层组先采下部煤层，再采上部煤层、分层或煤层组。称为上行式开采顺序。第二节第二节 煤层间垮落式上行顺序采煤煤层间垮落式上行顺序采煤l近水平、缓倾斜和中倾斜煤层煤层间垮落近水平、缓倾斜和中倾斜煤层煤层间垮落
19、上行顺序采煤的条件上行顺序采煤的条件 煤层相距较近时用垮落法处理采空区，先采下煤层后，上煤层将随下煤层采空区上覆岩层垮落，遭受破坏，严重时上煤层无法开采。因此，煤层间一般采用下行式开采顺序。在某些特定条件下，下行式开采顺序可能限制矿井生产能力的增长和新建矿井的建设速度，增加巷道维护量和工程量，在开采技术、经济效益和安全生产方面并不是最优的，而上行式开采能够避免上述缺点，并有独特的作用。可以采用上行式采煤的条件可以采用上行式采煤的条件l先采下部煤层不破坏上部煤层的完整性和连续性，且能够给矿井带来较大的经济效益。（1）上部煤层为劣质煤或薄煤层或不稳定煤层，开采困难，开采设备利用率、经济效益和矿井达
20、产期因开采顺序不同而差异很大；（2）上部煤层开拓困难，需要巨额投资，下部煤层开拓容易，且上下煤层间距较大；（3）下部煤层为国家急需的煤种。需要上行开采的煤层需要上行开采的煤层安全和技术上是优越的安全和技术上是优越的l上部煤层有冲击地压危险或有煤与瓦斯突出危险，下部煤层作为解放层开采。l上部煤层含水丰富，先采下部煤层有利于疏水。l上部煤层的顶板为坚硬顶板，需要降低上部煤层顶板的周期来压强度。l条带采煤法开采有一定层间距的多层煤层，为师保留条带不受重复开采影响。l深矿井开采中，先采下煤层有利于实现矿井高产高效，有利于改善上煤层的巷道维护条件及经济技术指标。l复采采空区上部遗留的煤炭资源。判别方法判
21、别方法l1、比值判别法（两层煤）上下煤层层间距H与下煤层厚度M下的比值K大于7.5时（我国的经验数据），先采下部煤层，上部煤层可以正常开采。K=H/M下2、三带判别法、三带判别法l当上位煤层位于下位煤层开采引起的垮落带之内时，上位煤层结构遭到严重破坏，下位煤层开采后上位煤层无法开采。l当上位煤层位于下位煤层开采引起的断裂带之内时，上位煤层结构只发生中等程度破坏，下位煤层开采后，采取一定安全和技术措施，上位煤层可以开采。l当上位煤层位于下位煤层开采引起的断裂带之外时（弯曲带内），上位煤层只产生整体移动，结构不受破坏，下位煤层开采后，上位煤层可以正常开采。垮落上行顺序开采注意的问题垮落上行顺序开采注意的问题l上煤层开采应在下煤层开采引起的岩层移动稳定后进行，上煤层开始采煤的时间应滞后于下煤层采动影响的时间。l避免在下煤层之上的岩层中或煤层中先开掘巷道，否则，先掘出巷道可能受到开采影响改变方向和坡度，甚至变形破坏。l在层间距较近的情况下，下煤层中开采应采用无煤柱开采技术，否则，残留的煤柱将影响到上煤层正常作业。复习思考题复习思考题l第二节 煤层间垮落上行顺序采煤l1、如何用比值判别法判别上行开采的可行性？l2、如何用“三带”判别法判别上行开采的可行性？
